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塗料の希釈計算
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排水勾配と高低差
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木材の材積(m³・才)
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フェンスの本数
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部屋の熱損失の目安
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収納・棚の容量
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板取り計算
板取り計算
棚板のたわみと耐荷重
棚板のたわみと耐荷重

棚板のたわみと耐荷重計算機(材質・厚み・スパン・荷重から最大たわみを求める/最大スパン・最大荷重・必要厚みの逆算)

「何を求めるか」を選び、棚板の厚み・奥行き・スパン(支えの間隔)・材質・荷重を入力してください。材質を選ぶとヤング率と許容曲げ応力の目安が入り、変更もできます。逆算では許容たわみ(mm または L/n)を指定します。

mm
mm
mm
kg
材質の目安(材質を選ぶと入る。変更可)
GPa
N/mm²
結果は「両端で支えた一様な板」の基本式による目安です。ヤング率や強度は製品・等級・節・含水率でばらつき、接合部や棚受けの強さは考慮していません。重い物を載せる棚や人が乗る棚、構造用途はメーカーの仕様や設計者に確認してください。
計算結果・図形
左の入力欄に棚板の厚み・奥行き・スパン(支えの間隔)・材質・荷重を入れて「計算する」を押すと、ここに最大たわみ(mm)・たわみ比(L/δ)・目安との比較・曲げ応力(参考)と、たわみを誇張して描いた棚板の図が表示されます。

このページでできること

  • 棚板の厚み・奥行き・スパン(支えの間隔)・材質・荷重から、載せたときの最大たわみ(mm)と、たわみ比(\(L/\delta\)=スパンがたわみの何倍か)がわかります
  • 材質(スギ・ヒノキ・パイン集成材・ナラ・合板・MDF・パーティクルボード・ガラス・アルミ・鋼)を選ぶだけでヤング率の目安が入ります(値は変更できます)
  • 荷重は「等分布の合計kg」「1mあたりkg」「中央に集中kg」から選べ、支え方は「棚受けに載せただけ(単純支持)」と「側板にビス固定・溝はめ(両端固定)」を切り替えられます
  • 「たわみを3mm以内(またはスパンの1/300以内)にしたい」のような許容たわみから、最大スパン・最大荷重・必要な厚みを逆算できます
  • 長期荷重で木材のたわみが増える現象(クリープ)を係数で見込め、参考として曲げ応力と材質の許容曲げ応力の目安との比較も表示します
この計算機は、棚板を「両端で支えた一様な板(梁)」とみなす材料力学の基本式で、たわみだけを求めるものです。ヤング率・許容曲げ応力は一般に引用される目安で、同じ材質でも製品・等級・節・含水率で大きく変わります。耐荷重(壊れるかどうか)は参考表示であり、安全を保証するものではありません。重い物を載せる棚・人が乗る可能性のある棚・建物の構造にかかわる部材は、メーカーの仕様や設計者に確認してください。

この計算は何の役に立つ?

DIYの本棚で、棚板の厚みと側板の間隔を決める(木工・DIY)

「幅900mmの本棚を作りたいが、18mmの集成材で足りるか」は本棚づくりの定番の悩みです。雑誌や専門書も混ざる本棚を想定して本を1mあたり30kg(安全側の目安)とすると、奥行き250mm・厚み18mm・スパン860mmのパイン集成材では載せた直後のたわみが約1.9mm、クリープを2倍見込むと約3.8mm(\(L/224\))になり、目安の \(L/300\) を超えて見た目に出る可能性がある、と数字で判断できます。
厚みを25mmにするとたわみは \((18/25)^3 \fallingdotseq 0.37\) 倍、途中に仕切り板を1枚入れてスパンを半分にすると16分の1になります。「厚い板にする」「仕切りを入れる」「奥行きを詰めて載る量を減らす」のどれが効くかを、作る前に比べられます。

買った棚板が、載せたい荷重に耐えられるか確かめる(収納・家具)

組み立て家具の棚板はパーティクルボードやMDFが多く、同じ厚みでも木材の3分の1程度のヤング率しかありません。厚み18mm・奥行き300mm・スパン800mmのパーティクルボードの棚にファイルや雑誌を合計25kg並べると、載せた直後で約4.5mm、長期には9mm前後たわむ計算になり、「本や食器の重い物は幅の狭い棚に」という判断の根拠になります。
メーカーが「耐荷重○kg」を示している場合はその値が優先です。この計算は、耐荷重の表示がない棚や、自分で棚板を追加するときの目安として使ってください。

壁付けの飾り棚・キッチンの吊り棚で、棚受けの間隔を決める(住まい・リフォーム)

壁にL字の棚受け金具で板を取り付けるとき、金具の間隔がそのままスパンになります。幅1,200mmの棚を金具2本で支えると、スパンが1,100mm程度になり、奥行き250mm・厚み20mmのパイン集成材では食器を合計20kg載せただけで載せた直後に約2.3mm、クリープを2倍見込むと約4.5mm(\(L/243\))たわむ計算になります。金具を3本にしてスパンを半分にすれば、同じ並べ方ならたわみは16分の1です。
金具自体の耐荷重や、壁側(石膏ボードか下地か)の強さはこの計算に含まれないので、それらは金具の仕様と壁の下地で別に確かめる必要があります。

テレビ台・水槽台で、中央に重い物を置いたときのたわみを見積もる(家電・アクアリウム)

60cm水槽は水と砂利を含めると70〜80kgになり、天板の中央近くに集中して載ります。同じ重さでも中央に集中させると、均等に並べたときの1.6倍たわむので、「中央に集中」で計算しておくと安全側です。天板が厚みのある無垢材か、薄い化粧板かで結果は大きく変わります。
水槽やテレビのように「たわんで傾くと困る物」は、たわみを1〜2mm以内に抑えたいことが多く、必要な厚みを逆算するモードが役に立ちます。ただし水槽台は転倒や耐震も含めて専用の台を使うのが原則で、この計算は自作の台の設計の目安に留めてください。

ウッドデッキや縁台の床板で、根太の間隔を決める(外構・DIY)

床板は根太の上に載る「スパン=根太の間隔」の梁です。厚み30mm・幅105mmのスギの床板に、根太間隔600mmで人が1人(60kg)乗ると、1枚の板に体重の一部が集中荷重としてかかります。仮に1枚の中央に30kgがかかるとすると、たわみは約0.8mmで、根太間隔を900mmにすると \((900/600)^3 \fallingdotseq 3.4\) 倍の約2.7mmになります。
「歩いたときにふわふわしない」ためには根太間隔を詰めるのが最も効くことが数字でわかります。人が乗る床は、たわみだけでなく強度や固定方法(ビスの本数)も重要なので、施工要領や設計者の確認を前提にしてください。

「たわみはスパンの4乗に比例する」を実感する(高校の物理・工学系の学び)

梁のたわみの式は、大学の材料力学で最初に習う公式の一つで、フックの法則(力と伸びの比例)を曲げに拡張したものです。式の中でスパンが4乗、厚みが3乗で効くという「べき乗の効き方の違い」は、橋・建物・機械部品の設計すべてに共通する感覚です。
身近な本棚で「側板の間隔を1割広げるとたわみが約5割増える(\(1.1^4 \fallingdotseq 1.46\))」「板を1割厚くするとたわみが約25%減る(\(1 \div 1.1^3 \fallingdotseq 0.75\))」を数字で確かめると、なぜ橋の桁が背の高い断面をしているのか、なぜ長い棚板には途中に支えがあるのかが見えてきます。

式と図

断面二次モーメントと断面係数(棚板の断面の「曲げにくさ」)
数学表記 (一般的な数式)
\(I\) \(=\) \(b\) \(\times\) \(h^{3}\) \(\div\ 12\)
\(Z\) \(=\) \(b\) \(\times\) \(h^{2}\) \(\div\ 6\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
断面二次モーメント \(I\)(mm⁴) \(=\) 棚板の奥行き \(b\)(mm) \(\times\) 厚み \(h\) の3乗 \(h^3\) \(\div\ 12\)
断面係数 \(Z\)(mm³) \(=\) 棚板の奥行き \(b\)(mm) \(\times\) 厚み \(h\) の2乗 \(h^2\) \(\div\ 6\)
式を日本語で読むと
棚板の奥行き \(b\)
厚み \(h\) の3乗 \(h^3\) を掛けて12で割ると
断面二次モーメント \(I\) になる(たわみの計算に使う)
同じ奥行きに 厚み \(h\) の2乗 \(h^2\) を掛けて6で割ると
断面係数 \(Z\) になる(曲げ応力の計算に使う)
簡単な例
奥行き 250mm・厚み 18mm のパイン集成材の棚板の断面二次モーメントと断面係数は
断面二次モーメント \(I\) \(=\) 奥行き(250mm) \(\times\) 厚み(18mm)の3乗 \(\div\ 12\)
断面係数 \(Z\) \(=\) 奥行き(250mm) \(\times\) 厚み(18mm)の2乗 \(\div\ 6\)
\(I = \dfrac{250 \times 18^{3}}{12} = \dfrac{250 \times 5{,}832}{12} = 121{,}500\ (\mathrm{mm^4})\)
\(Z = \dfrac{250 \times 18^{2}}{6} = \dfrac{250 \times 324}{6} = 13{,}500\ (\mathrm{mm^3})\)
考え方のポイント
板を曲げると、上面は縮み、下面は伸び、真ん中(中立軸)は伸び縮みしません。中立軸から遠い部分ほど大きく伸び縮みして曲げに抵抗するので、「断面のどれだけの面積が、中立軸からどれだけ離れた所にあるか」が曲げにくさを決めます。それを1つの数にまとめたのが断面二次モーメント \(I\) で、長方形断面では \(I = \dfrac{b h^3}{12}\) です。 厚み \(h\) が3乗で効くのがポイントで、厚みを 18mm から 25mm にすると \(I\) は \(\left(\dfrac{25}{18}\right)^3 \fallingdotseq 2.7\) 倍になり、たわみは 2.7 分の 1 になります。一方、奥行き \(b\) は1乗なので、奥行きを2倍にしてもたわみは半分にしかなりません(載る荷重も2倍になりがちなので、実質は変わらないことも多いです)。 断面係数 \(Z = \dfrac{b h^2}{6}\) は、曲げ応力(材料の表面にかかる力)を求めるときに使う量で、\(I\) を中立軸から表面までの距離 \(\dfrac{h}{2}\) で割ったものです(\(\dfrac{b h^3}{12} \div \dfrac{h}{2} = \dfrac{b h^2}{6}\))。
最大たわみ(全体に均等な荷重=等分布荷重)
数学表記 (一般的な数式)
\(\delta\) \(=\) \(\dfrac{5}{384}\) \(\times\) \(w\) \(\times\) \(L^{4}\) \(\div\) \(E\) \(\div\) \(I\)
\(\delta\) \(=\) \(\dfrac{1}{384}\) \(\times\) \(w\) \(\times\) \(L^{4}\) \(\div\) \(E\) \(\div\) \(I\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
最大たわみ \(\delta\)(mm)・単純支持 \(=\) \(\dfrac{5}{384}\) \(\times\) 1mm あたりの荷重 \(w\)(N/mm) \(\times\) スパン \(L\) の4乗 \(L^4\) \(\div\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴)
最大たわみ \(\delta\)(mm)・両端固定 \(=\) \(\dfrac{1}{384}\) \(\times\) 1mm あたりの荷重 \(w\)(N/mm) \(\times\) スパン \(L\) の4乗 \(L^4\) \(\div\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴)
式を日本語で読むと
1mm あたりの荷重 \(w\) (合計の荷重 \(W\) をスパン \(L\) で割った値。kg は 9.80665 を掛けて N にする)に
スパン \(L\) の4乗 \(L^4\) を掛け、単純支持なら \(\dfrac{5}{384}\)(両端固定なら \(\dfrac{1}{384}\))を掛けて
ヤング率 \(E\) で割り
断面二次モーメント \(I\) で割ると
最大たわみ \(\delta\) になる(棚板の中央の下がり)
簡単な例
奥行き 250mm・厚み 18mm(\(I = 121{,}500\) mm⁴)のパイン集成材(ヤング率 9 GPa = 9,000 N/mm²)の棚板をスパン 900mm の棚受けに載せ、本を合計 30kg(= 294.2 N。1mm あたり \(294.2 \div 900 \fallingdotseq 0.3269\) N/mm)均等に並べたときの最大たわみは
最大たわみ \(\delta\)(単純支持) \(=\) \(\dfrac{5}{384}\) \(\times\) 1mm あたりの荷重(0.3269 N/mm) \(\times\) スパン(900mm)の4乗 \(\div\) ヤング率(9,000 N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント(121,500 mm⁴)
\(\delta = \dfrac{5 \times 0.3269 \times 900^{4}}{384 \times 9{,}000 \times 121{,}500} = \dfrac{5 \times 0.3269 \times 6.561 \times 10^{11}}{4.199 \times 10^{11}} \fallingdotseq 2.55\ (\mathrm{mm})\)
\(\text{両端固定なら} \ \delta \fallingdotseq 2.55 \times \dfrac{1}{5} \fallingdotseq 0.51\ (\mathrm{mm})\)
考え方のポイント
これは材料力学で「等分布荷重を受ける単純支持ばり(両端支持ばり)」の最大たわみとして知られている式で、棚板・床板・橋の桁など「両端で支えて横から荷重を受ける部材」にそのまま使えます。分子は「荷重の大きさ × スパンの4乗」、分母は「材料の硬さ(ヤング率)× 断面の曲げにくさ(断面二次モーメント)」で、直感どおり「重いほど・長いほどたわみ、硬いほど・厚いほどたわまない」を式にしたものです。 効き方が違うのがポイントです。スパン \(L\) は4乗なので、スパンを1割伸ばすだけでたわみは \(1.1^4 \fallingdotseq 1.46\) 倍、2割伸ばすと \(1.2^4 \fallingdotseq 2.07\) 倍になります。逆に厚み \(h\) は \(I\) の中で3乗で効くので、厚みを1割増すとたわみは \(1.1^3 \fallingdotseq 1.33\) 分の 1 に減ります。「たわむ棚を直すなら、途中に支えを足してスパンを短くするか、厚い板に替えるのが効く」というのは、この式の4乗と3乗から来ています。 両端固定(側板にビス留め・溝はめ)にすると、端が回転できない分だけたわみは単純支持の \(\dfrac{1}{5}\) になります。ただし実際の棚は完全な固定にはならず、単純支持と両端固定の間になるので、安全側に見るなら単純支持で計算しておくのが無難です。 荷重 \(w\) は「1mm あたりの N」で入れます。棚全体の合計が \(W\)(N)なら \(w = W \div L\) で、このとき式は \(\delta = \dfrac{5 W L^3}{384 E I}\) と書き直せます(4乗が3乗になる)。kg で量った重さは \(9.80665\) を掛けて N に直します(1 kg の物を載せると約 9.8 N の力がかかる)。ヤング率は GPa(ギガパスカル)で示されることが多く、\(1\ \mathrm{GPa} = 1{,}000\ \mathrm{N/mm^2}\) です。
最大たわみ(中央に集中した荷重=集中荷重)
数学表記 (一般的な数式)
\(\delta\) \(=\) \(P\) \(\times\) \(L^{3}\) \(\div\) \(E\) \(\div\) \(I\) \(\div\ 48\)
\(\delta\) \(=\) \(P\) \(\times\) \(L^{3}\) \(\div\) \(E\) \(\div\) \(I\) \(\div\ 192\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
最大たわみ \(\delta\)(mm)・単純支持 \(=\) 中央の集中荷重 \(P\)(N) \(\times\) スパン \(L\) の3乗 \(L^3\) \(\div\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴) \(\div\ 48\)
最大たわみ \(\delta\)(mm)・両端固定 \(=\) 中央の集中荷重 \(P\)(N) \(\times\) スパン \(L\) の3乗 \(L^3\) \(\div\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴) \(\div\ 192\)
式を日本語で読むと
中央の集中荷重 \(P\) (kg は 9.80665 を掛けて N にする)に
スパン \(L\) の3乗 \(L^3\) を掛け
ヤング率 \(E\) で割り
断面二次モーメント \(I\) で割り、さらに単純支持なら 48(両端固定なら 192)で割ると
最大たわみ \(\delta\) になる(荷重の真下=中央の下がり)
簡単な例
奥行き 300mm・厚み 25mm(\(I = 390{,}625\) mm⁴)のナラの棚板(ヤング率 11 GPa = 11,000 N/mm²)をスパン 800mm で支え、中央に 20kg(= 196.1 N)の物を置いたときの最大たわみは
最大たわみ \(\delta\)(単純支持) \(=\) 集中荷重(196.1 N) \(\times\) スパン(800mm)の3乗 \(\div\) ヤング率(11,000 N/mm²) \(\div\) 断面二次モーメント(390,625 mm⁴) \(\div\ 48\)
\(\delta = \dfrac{196.1 \times 800^{3}}{48 \times 11{,}000 \times 390{,}625} = \dfrac{196.1 \times 5.12 \times 10^{8}}{2.0625 \times 10^{11}} \fallingdotseq 0.49\ (\mathrm{mm})\)
\(\text{両端固定なら} \ \delta \fallingdotseq 0.49 \times \dfrac{1}{4} \fallingdotseq 0.12\ (\mathrm{mm})\)
考え方のポイント
「中央に集中荷重を受ける単純支持ばり」の最大たわみの式です。等分布荷重の式と比べると、スパンが4乗ではなく3乗になっているのは、荷重が「1mm あたり」ではなく「合計の力」で与えられているからです(等分布でも合計 \(W\) で書けば \(\dfrac{5 W L^3}{384 E I}\) と3乗になります)。 同じ合計の重さなら、中央に集中させたときのたわみは、均等に分布させたときの \(\dfrac{1/48}{5/384} = \dfrac{384}{240} = 1.6\) 倍です。テレビや水槽のように重い物を1つだけ棚の真ん中に置くと、同じ重さの本を並べるより6割も大きくたわむ、と覚えておくと目安になります。逆に、重い物を棚の端(支えの近く)に寄せるとたわみはずっと小さくなります。 両端固定では係数が 48 から 192 になり、たわみは単純支持の \(\dfrac{1}{4}\) です。等分布のときの \(\dfrac{1}{5}\) とは少し違うことに注意してください。
長期のたわみ(クリープ)とたわみ比 L/δ
数学表記 (一般的な数式)
\(\delta_{\text{長期}}\) \(=\) \(k_c\) \(\times\) \(\delta_0\)
\(n\) \(=\) \(L\) \(\div\) \(\delta_{\text{長期}}\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
長期のたわみ \(\delta_{\text{長期}}\)(mm) \(=\) クリープ係数 \(k_c\) \(\times\) 載せた直後のたわみ \(\delta_0\)(mm)
たわみ比の分母 \(n\)(\(L/n\) の \(n\)) \(=\) スパン \(L\)(mm) \(\div\) 長期のたわみ \(\delta_{\text{長期}}\)(mm)
式を日本語で読むと
載せた直後のたわみ \(\delta_0\)
クリープ係数 \(k_c\) (木材なら 1.5〜2 程度を見込むことが多い)を掛けると
長期のたわみ \(\delta_{\text{長期}}\) になる
スパン \(L\) を長期のたわみで割ると
たわみ比の分母 \(n\) になり、「たわみはスパンの \(n\) 分の 1」と読める(\(n\) が大きいほどたわみが小さい)
簡単な例
スパン 1,200mm のスギの棚板(奥行き 300mm・厚み 24mm・1m あたり 30kg の本)で、載せた直後のたわみが 3.28mm、クリープ係数を 2 とすると
長期のたわみ \(=\) クリープ係数(2) \(\times\) 載せた直後のたわみ(3.28mm)
たわみ比の分母 \(n\) \(=\) スパン(1,200mm) \(\div\) 長期のたわみ(6.57mm)
\(\delta_{\text{長期}} = 2 \times 3.28 \fallingdotseq 6.57\ (\mathrm{mm})\)
\(n = 1{,}200 \div 6.57 \fallingdotseq 183 \quad \Rightarrow \quad \text{たわみはスパンの } 1/183\)
考え方のポイント
木材や木質ボード(合板・MDF・パーティクルボード)は、荷重を載せ続けると時間とともにたわみがじわじわ増えます(クリープ)。本棚のように何年も荷重を載せっぱなしにする棚では、載せた直後のたわみの 1.5〜2 倍程度になることが多いとされ、湿度が高い場所やパーティクルボードではさらに増えることがあります。この計算機ではクリープ係数 \(k_c\) を掛けて長期のたわみを見積もります(既定は 1=載せた直後の値。鋼やガラスではクリープはほぼ無視できます)。 たわみを「何mm」だけで見ると、スパンが長い棚ほど不利になります。そこで「スパンに対してどれだけか」を表すたわみ比 \(L/\delta\) がよく使われ、たわみが目立ちにくい目安として \(L/300\)(スパンの300分の1)以下、用途によっては \(L/200\) 程度まで、という値が実務で引用されます。あわせて「3mm 以下」のような絶対値の目安も併用されます。これらは見た目や使い勝手の経験的な目安であって、安全性の基準ではありません。この計算機の「実用上の目安との比較」は、長期のたわみで \(L/300\)・\(L/200\)・3mm を判定しています。
逆算(許容たわみから最大スパン・最大荷重を求める)
数学表記 (一般的な数式)
\(L_{\max}^{4}\) \(=\) \(\dfrac{384}{5}\) \(\times\) \(E\) \(\times\) \(I\) \(\times\) \(\delta_a\) \(\div\) \(w\) \(\div\) \(k_c\)
\(w_{\max}\) \(=\) \(\dfrac{384}{5}\) \(\times\) \(E\) \(\times\) \(I\) \(\times\) \(\delta_a\) \(\div\) \(k_c\) \(\div\) \(L^{4}\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
最大スパン \(L_{\max}\) の4乗 \(=\) \(\dfrac{384}{5}\) \(\times\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\times\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴) \(\times\) 許容たわみ \(\delta_a\)(mm) \(\div\) 1mm あたりの荷重 \(w\)(N/mm) \(\div\) クリープ係数 \(k_c\)
最大荷重 \(w_{\max}\)(N/mm) \(=\) \(\dfrac{384}{5}\) \(\times\) ヤング率 \(E\)(N/mm²) \(\times\) 断面二次モーメント \(I\)(mm⁴) \(\times\) 許容たわみ \(\delta_a\)(mm) \(\div\) クリープ係数 \(k_c\) \(\div\) スパン \(L\) の4乗 \(L^4\)
式を日本語で読むと
許容たわみ \(\delta_a\) にヤング率 \(E\)・断面二次モーメント \(I\)・\(\dfrac{384}{5}\) を掛けたものを、
1mm あたりの荷重 \(w\) で割り
クリープ係数 \(k_c\) で割ると
最大スパン \(L_{\max}\) の4乗 になる(等分布荷重・単純支持の場合。4乗根を取れば最大スパン \(L_{\max}\))
同じ分子をクリープ係数と スパン \(L\) の4乗 \(L^4\) で割ると
最大荷重 \(w_{\max}\) になる(1mm あたりの N。1,000 を掛けて 9.80665 で割ると kg/m)
簡単な例
奥行き 250mm・厚み 18mm(\(I = 121{,}500\) mm⁴)のパイン集成材(9,000 N/mm²)の棚に、本を 1m あたり 25kg(\(25 \times 9.80665 \div 1{,}000 \fallingdotseq 0.2452\) N/mm)並べ、たわみを 3mm 以内に収めたいときの最大スパン(クリープ係数 1)と、スパン 900mm のときの最大荷重は
最大スパン \(L_{\max}\) の4乗 \(=\) \(\dfrac{384}{5}\) \(\times\) ヤング率(9,000) \(\times\) 断面二次モーメント(121,500) \(\times\) 許容たわみ(3mm) \(\div\) 荷重(0.2452 N/mm) \(\div\) クリープ係数(1)
\(L_{\max} = \sqrt[4]{\dfrac{384 \times 9{,}000 \times 121{,}500 \times 3}{5 \times 0.2452 \times 1}} = \sqrt[4]{\dfrac{1.2597 \times 10^{12}}{1.226}} \fallingdotseq \sqrt[4]{1.0275 \times 10^{12}} \fallingdotseq 1{,}006\ (\mathrm{mm})\)
\(w_{\max} = \dfrac{384 \times 9{,}000 \times 121{,}500 \times 3}{5 \times 1 \times 900^{4}} = \dfrac{1.2597 \times 10^{12}}{3.2805 \times 10^{12}} = 0.384\ (\mathrm{N/mm}) \quad \Rightarrow \quad 0.384 \times 1{,}000 \div 9.80665 \fallingdotseq 39.16\ (\mathrm{kg/m})\)
考え方のポイント
たわみの式 \(\delta = \dfrac{5 w L^4}{384 E I} \times k_c\) を、知りたい量について解き直しただけです。「たわみを \(\delta_a\) 以内にしたい」という条件を \(\delta_a = \) (右辺)と置き、\(L\) について解けば最大スパン、\(w\) について解けば最大荷重になります。厚みを知りたいときは、まず必要な断面二次モーメント \(I_{\text{必要}} = \dfrac{5 w L^4 k_c}{384 E \delta_a}\) を求め、\(I = \dfrac{b h^3}{12}\) を \(h\) について解いた \(h_{\min} = \sqrt[3]{\dfrac{12 I_{\text{必要}}}{b}}\) で必要な厚みが出ます。 集中荷重・両端固定のときも、係数(\(\dfrac{5}{384}\) を \(\dfrac{1}{384}\)・\(\dfrac{1}{48}\)・\(\dfrac{1}{192}\) に)と \(L\) の指数(合計荷重や集中荷重なら3乗)を入れ替えるだけで同じ手順です。この計算機は選んだ条件に合わせて自動で切り替えます。 許容たわみを \(L/n\) の形(例:\(L/300\))で指定したときは、\(\delta_a\) 自体がスパンに比例するので、最大スパンを求める式は \(L^{4} \) が \(L^{3}\) に下がった形(\(L_{\max} = \sqrt[3]{\dfrac{384 E I}{5 w k_c n}}\))になります。 逆算の結果は、安全側になるように最大スパンは 1mm 単位で切り捨て、最大荷重は 0.1 単位で切り捨て、必要な厚みは 0.1mm 単位で切り上げて表示し、その値でたわみ・応力を計算し直して表示します(上の例なら最大スパン 1,006.8mm → 1,006mm、最大荷重 39.16kg/m → 39.1kg/m)。市販の板は厚みが 12・15・18・21・25・30mm のように飛び飛びなので、必要な厚みが 19.4mm と出たら、その上の 21mm や 25mm を選ぶことになります。
曲げ応力(参考:材料が壊れないかの目安)
数学表記 (一般的な数式)
\(M\) \(=\) \(w\) \(\times\) \(L^{2}\) \(\div\ 8\)
\(\sigma\) \(=\) \(M\) \(\div\) \(Z\)
日本語表記 (記号を日本語に置き換えた式)
最大曲げモーメント \(M\)(N·mm) \(=\) 1mm あたりの荷重 \(w\)(N/mm) \(\times\) スパン \(L\) の2乗 \(L^2\) \(\div\ 8\)
曲げ応力 \(\sigma\)(N/mm²) \(=\) 最大曲げモーメント \(M\)(N·mm) \(\div\) 断面係数 \(Z = \dfrac{b h^2}{6}\)(mm³)
式を日本語で読むと
1mm あたりの荷重 \(w\)
スパン \(L\) の2乗 \(L^2\) を掛けて8で割ると(等分布荷重・単純支持の場合)
最大曲げモーメント \(M\) になる(棚板の中央で最大)
それを 断面係数 \(Z\) で割ると
曲げ応力 \(\sigma\) になる(棚板の上面・下面にかかる、単位面積あたりの力)
簡単な例
スパン 900mm・奥行き 250mm・厚み 18mm(\(Z = 13{,}500\) mm³)のパイン集成材の棚板に、本を合計 30kg(1mm あたり 0.3269 N/mm)並べたときの曲げ応力は(単純支持)
最大曲げモーメント \(M\) \(=\) 荷重(0.3269 N/mm) \(\times\) スパン(900mm)の2乗 \(\div\ 8\)
曲げ応力 \(\sigma\) \(=\) 曲げモーメント(33,097 N·mm) \(\div\) 断面係数(13,500 mm³)
\(M = \dfrac{0.3269 \times 900^{2}}{8} = \dfrac{0.3269 \times 810{,}000}{8} \fallingdotseq 33{,}097\ (\mathrm{N \cdot mm})\)
\(\sigma = \dfrac{33{,}097}{13{,}500} \fallingdotseq 2.45\ (\mathrm{N/mm^2}) \quad \Rightarrow \quad \text{許容曲げ応力の目安 } 9\ \mathrm{N/mm^2} \text{ の約 } 27\%\)
考え方のポイント
「たわむ」と「壊れる」は別の話です。たわみは見た目・使い勝手の問題で、壊れるかどうかは材料の中にかかる力(応力)が材料の強さを超えるかどうかで決まります。梁では、荷重で生じる曲げモーメント \(M\) を断面係数 \(Z\) で割った曲げ応力 \(\sigma\) が、材料の許容曲げ応力 \(f_b\) 以下であることが「壊れない目安」になります。 最大曲げモーメントは、等分布荷重・単純支持なら \(\dfrac{w L^2}{8}\)(中央)、等分布荷重・両端固定なら \(\dfrac{w L^2}{12}\)(両端)、中央集中荷重なら単純支持で \(\dfrac{P L}{4}\)(中央)、両端固定で \(\dfrac{P L}{8}\)(両端)です。この計算機は選んだ条件に合わせて自動で切り替えます。 普通の本棚では、木材の許容曲げ応力(長期で 8〜10 N/mm² 程度が目安)に対して曲げ応力は数 N/mm² に収まることが多く、「壊れる前に、見た目に困るほどたわむ」のが普通です。つまり棚板の設計はたわみで決まることが多く、だからこのページはたわみを主役にしています。ただし、薄い板に重い物を載せる・パーティクルボードのように強度の低い材料を使う・棚受けやビスの引き抜きで支えが先に壊れる、といった場合は応力側が問題になります。 ここで示す許容曲げ応力は「一般に引用される目安」で、実際の強度は樹種・等級・節・含水率・製品のばらつきで大きく変わり、棚受け・ダボ・ビスなど接合部の強さはこの計算に含まれていません。この参考表示は安全を保証するものではありません。重い物を載せる棚、人が乗る可能性のある棚、建物の構造にかかわる部材は、メーカーの仕様や設計者に確認してください。
棚板は「両端で支えた梁」なので、最大たわみは 荷重 × スパンの4乗(集中荷重なら3乗)÷(ヤング率 × 断面二次モーメント)に係数(\(\dfrac{5}{384}\)・\(\dfrac{1}{384}\)・\(\dfrac{1}{48}\)・\(\dfrac{1}{192}\))を掛けて求まります。断面二次モーメントは 奥行き × 厚みの3乗 ÷ 12 なので、たわみを減らすにはスパンを短くする(4乗で効く)か厚みを増す(3乗で効く)のが効果的です。長期荷重ではクリープで 1.5〜2 倍を見込み、たわみ比 \(L/300\)〜\(L/200\) や 3mm を実用上の目安にします。壊れるかどうかは曲げ応力 \(M/Z\) を許容曲げ応力と比べますが、参考値であり安全の保証にはなりません。

用語・記号の解説

記号

\(\delta\) デルタ 最大たわみ(mm)。ギリシャ文字のデルタ \(\delta\) は変位(位置のずれ)を表すのによく使われます。このページでは棚板の中央(両端固定・集中荷重でも中央)の下がりです。\(\delta_0\) は載せた直後のたわみ、\(\delta_{\text{長期}}\) はクリープを見込んだ長期のたわみ、\(\delta_a\) は許容たわみ(allowable の頭文字)です。
\(w\) ダブリュー(小文字) 1mm あたりの荷重(N/mm)。等分布荷重の大きさを表し、weight(重さ)に由来します。棚全体の合計の力 \(W\) をスパン \(L\) で割った値です。
\(W\) ダブリュー(大文字) 棚板に載る荷重の合計(N)。kg で量った重さに 9.80665 を掛けて N に直します。1mm あたりの荷重は \(w = W \div L\) です。
\(P\) ピー 中央の集中荷重(N)。力を表す記号で、荷重(load)や point load(集中荷重)の意味でよく使われます。kg で量った重さに 9.80665 を掛けて N に直します。
\(L\) エル スパン(mm)。length(長さ)の頭文字で、支えと支えの間の距離です。棚の外寸ではなく、側板の内側どうし(または棚受けどうし)の距離を使います。
\(E\) イー ヤング率(縦弾性係数)。elasticity(弾性)の頭文字で、材料の変形しにくさを表します。GPa で示されることが多く、計算では \(1\ \mathrm{GPa} = 1{,}000\ \mathrm{N/mm^2}\) として N/mm² に直して使います。
\(I\) アイ 断面二次モーメント(mm⁴)。moment of inertia of area(断面の慣性モーメント)の頭文字で、断面の形による曲げにくさを表します。長方形断面では \(I = \dfrac{b h^3}{12}\) です。
\(b\) ビー 棚板の奥行き(mm)。梁の断面の幅(breadth)にあたり、載せる物の奥行き方向の寸法です。
\(h\) エイチ 棚板の厚み(mm)。梁の断面の高さ(height)にあたります。たわみには3乗で効く、最も影響の大きい寸法です。\(h_{\min}\) は許容たわみに収めるための必要な厚みです。
\(k_c\) ケー・シー クリープ係数。creep(クリープ)の頭文字で、長期荷重でたわみが何倍に増えるかを表します。既定は 1(載せた直後のたわみ)で、木材や木質ボードでは 1.5〜2 程度を見込むことが多いです。
\(n\) エヌ たわみ比 \(L/n\) の分母。スパンをたわみで割った値で、「たわみはスパンの \(n\) 分の 1」と読みます。\(L/300\) なら \(n = 300\) です。
\(M\) エム 最大曲げモーメント(N·mm)。moment(モーメント)の頭文字で、板を曲げようとする力の大きさです。等分布荷重・単純支持では中央で \(\dfrac{w L^2}{8}\) になります。
\(Z\) ゼット 断面係数(mm³)。曲げ応力を求めるときに使う断面の量で、長方形断面では \(Z = \dfrac{b h^2}{6}\) です。
\(\sigma\) シグマ 曲げ応力(N/mm²)。ギリシャ文字のシグマ \(\sigma\) は応力(単位面積あたりの力)を表す記号として使われます。\(\sigma = M \div Z\) で求め、許容曲げ応力 \(f_b\) と比べます。
\(f_b\) エフ・ビー 許容曲げ応力の目安(N/mm²)。f は許容応力度(普通は小文字の f)、添え字の b は bending(曲げ)です。長期荷重に対して材料が安全に耐えられるとされる曲げ応力の上限で、材料の基準強度に安全率をかけた値です。
\(\mathrm{N}\) ニュートン 力の単位。1 kg の物にかかる重力は約 9.80665 N です(\(1\ \mathrm{kgf} = 9.80665\ \mathrm{N}\))。このページは kg で入力した重さを内部で N に直して計算します。
\(\mathrm{N/mm^2}\) ニュートン・パー・平方ミリメートル 応力・ヤング率の単位。1 mm² あたりに何 N の力がかかるかで、\(1\ \mathrm{N/mm^2} = 1\ \mathrm{MPa}\)(メガパスカル)です。ヤング率は \(1\ \mathrm{GPa} = 1{,}000\ \mathrm{N/mm^2}\) です。
\(\fallingdotseq\) ほぼ等しい 「およそ等しい」を表す記号。割り切れない値を小数で丸めて書くときに使います。

用語

たわみ たわみ 板や棒に横から力がかかって曲がり、元の位置から下がった量(mm)です。棚板では中央が一番下がるので、このページの「最大たわみ」は中央の下がりを指します。たわみが大きいと見た目が悪いだけでなく、棚板が棚受けから外れる・引き戸が動かなくなるなどの不具合の原因になります。
はり 両端などで支えられ、横からの荷重を受けて曲がる細長い部材のことです。棚板・床を支える根太・橋の桁・建物の梁はどれも同じ「梁」として計算でき、このページの式は材料力学の「梁のたわみ」の基本公式そのものです。
スパン すぱん 支えと支えの間の距離(mm)です。棚なら側板の内側どうし、棚受けどうしの間隔で、棚板の全長ではありません。たわみはスパンの4乗(集中荷重なら3乗)に比例するので、途中に支えを足してスパンを半分にすると、たわみは16分の1になります。
等分布荷重 とうぶんぷかじゅう 板の全体に均等にかかる荷重です。本をびっしり並べた本棚、食器を並べた棚の荷重はこれに近く、1mm あたりの荷重 \(w\)(N/mm)で表します。棚全体の合計 \(W\) を入れる場合は \(w = W \div L\) に直して計算します。
集中荷重 しゅうちゅうかじゅう 一点にかかる荷重です。棚の中央にテレビや水槽を1つだけ置くような場合で、同じ重さなら等分布荷重より 1.6 倍大きくたわみます。荷重を支えの近くに寄せるとたわみはずっと小さくなります。
単純支持 たんじゅんしじ 両端を「載せただけ」で支え、端が自由に傾ける(回転できる)支え方です。棚受け金具やダボに載せた可動棚はこれに近く、同じ条件では両端固定より大きくたわみます。迷ったら安全側のこちらで計算します。「両端支持」ともいいます。
両端固定 りょうたんこてい 両端が回転しないようにがっちり固定された支え方です。側板にビス留めや溝はめで固定した固定棚はこれに近づき、たわみは単純支持の5分の1(集中荷重なら4分の1)になります。ただし実際の棚は完全な固定にはならないので、単純支持と両端固定の間になります。
ヤング率 やんぐりつ 材料の変形しにくさ(硬さ)を表す値で、縦弾性係数ともいいます。同じ形・同じ荷重なら、ヤング率が2倍の材料はたわみが半分になります。木材は 7〜12 GPa、合板は 6〜8 GPa、MDF は 3〜4 GPa、パーティクルボードは 2〜3 GPa、ガラスは約 70 GPa、アルミは約 69 GPa、鋼は約 200 GPa が一般に引用される目安です。木材は繊維方向と直角方向で大きく違い、このページでは棚板の長さ方向(繊維方向)の値を使います。
断面二次モーメント だんめんにじもーめんと 断面の形が曲げに対してどれだけ強いか(曲げにくさ)を表す量で、単位は mm⁴ です。長方形断面では 奥行き × 厚みの3乗 ÷ 12 で、厚みが2倍になると8倍になります。同じ材料・同じ量でも、断面を「縦長」に使うほど大きくなります(板を寝かせるより立てた方が曲がりにくいのはこのためです)。
断面係数 だんめんけいすう 曲げ応力を求めるときに使う断面の量で、単位は mm³ です。断面二次モーメントを、中立軸から表面までの距離(長方形なら厚みの半分)で割ったもので、長方形断面では 奥行き × 厚みの2乗 ÷ 6 になります。
中立軸 ちゅうりつじく 板を曲げたとき、上面は縮み、下面は伸びますが、その途中に伸びも縮みもしない面があります。それを中立軸(中立面)といい、長方形断面では厚みのちょうど真ん中です。中立軸から遠い部分ほど大きく伸び縮みし、曲げに強く抵抗します。
曲げモーメント まげもーめんと 板を曲げようとする力の大きさ(N·mm)です。「力 × 支えからの距離」で決まり、等分布荷重・単純支持の棚板では中央で最大の \(\dfrac{w L^2}{8}\) になります。両端固定では両端で最大になります。
曲げ応力 まげおうりょく 曲げによって材料の表面(上面・下面)に生じる、単位面積あたりの力(N/mm²)です。曲げモーメント ÷ 断面係数で求め、この値が材料の許容曲げ応力を超えなければ「壊れない目安」とされます。
許容曲げ応力 きょようまげおうりょく 材料が長期の荷重に安全に耐えられるとされる曲げ応力の上限の目安(N/mm²)です。材料の基準となる強度を安全率で割った値で、木材では長期で 8〜10 N/mm² 程度が一般に引用されます。等級・節・含水率・製品で大きく変わるので、このページの値は参考であり、安全を保証するものではありません。
クリープ くりーぷ 一定の荷重をかけ続けると、変形が時間とともにじわじわ増えていく現象です。木材・合板・MDF・パーティクルボードなど木質材料で顕著で、長期のたわみは載せた直後の 1.5〜2 倍程度になることが多いとされます。湿度が高いとさらに増えます。鋼やガラスでは常温ではほぼ無視できます。
たわみ比 たわみひ スパンをたわみで割った値(\(L/\delta\))で、「たわみがスパンの何分の1か」を表します。実務では \(L/300\)(スパンの300分の1)以下なら見た目に出にくく、\(L/200\) は用途によっては気になる程度、という目安がよく引用されます。安全性の基準ではなく、見た目・使い勝手の経験的な目安です。
集成材 しゅうせいざい 小さな木の板(ラミナ)を繊維方向をそろえて接着し、大きな板にした材料です。ホームセンターの棚板の定番で、パイン(マツ)集成材が多く流通しています。無垢材より反りにくく品質が安定していますが、ヤング率は元の樹種と大きくは変わりません。
MDF エムディーエフ 木の繊維を樹脂で固めて板にした木質ボードです。Medium Density Fiberboard(中密度繊維板)の頭文字です。表面が平らで加工しやすい反面、ヤング率は木材の半分以下(3〜4 GPa)で、たわみやすく、クリープも大きめです。同じ厚みなら集成材より大きくたわみます。
パーティクルボード ぱーてぃくるぼーど 木の小片(チップ)を樹脂で固めて板にした木質ボードで、化粧シートを貼った組み立て家具の棚板によく使われます。ヤング率は 2〜3 GPa と低く、強度も低めなので、たわみと耐荷重の両方で不利です。長い棚板や重い本には向きません。
N
(ニュートン)
にゅーとん 力の単位です。1 kg の物には地球の重力で約 9.80665 N の力がかかります。このページは kg で入力した重さに 9.80665 を掛けて N に直し、力の単位で計算しています。

前提として理解しておくといいこと

このページの計算を「意味がわかって」使えるようになるために、前提として理解しておくといいことをまとめました。
つまずいたら、この表の内容に戻って復習するのが近道です。

累乗(べき乗)の計算(中学1年)
  • \(18^3 = 18 \times 18 \times 18 = 5{,}832\) のように、同じ数を何回も掛ける計算ができること
  • 「厚みが2倍なら3乗で8倍」「スパンが2倍なら4乗で16倍」のように、累乗の効き方の違いを比べられること
比例と反比例(中学1年)
  • 「荷重が2倍ならたわみも2倍(比例)」「ヤング率が2倍ならたわみは半分(反比例)」の関係がわかること
  • 分数の式で「分子にあるものは比例、分母にあるものは反比例」と読めること
文字式と等式の変形(中学1〜2年)
  • \(\delta = \dfrac{5 w L^4}{384 E I}\) のような文字式に数値を当てはめられること
  • 「\(\delta\) がわかっていて \(L\) を知りたい」ときに、式を \(L^4 = \cdots\) の形に解き直せること(逆算)
平方根・累乗根(中学3年〜高校数学I)
  • \(\sqrt[4]{x}\)(4乗根)は「4乗すると \(x\) になる数」、\(\sqrt[3]{x}\)(3乗根)は「3乗すると \(x\) になる数」とわかること
  • 4乗根は「平方根の平方根」で求められること(\(\sqrt[4]{x} = \sqrt{\sqrt{x}}\))
指数表記と大きな数の計算(高校数学I・物理基礎)
  • \(4.096 \times 10^{11}\) のような表記で大きな数を扱い、掛け算・割り算ができること
  • \(1\ \mathrm{GPa} = 1{,}000\ \mathrm{N/mm^2}\)、\(1\ \mathrm{kgf} = 9.80665\ \mathrm{N}\) のような単位の換算ができること
力と圧力・フックの法則(中学理科・物理基礎)
  • 力の単位 N(ニュートン)と、質量 kg にかかる重力(約 9.8 N/kg)の関係がわかること
  • 「力と変形が比例する」というフックの法則の考え方を知っていること(ヤング率はその材料版)
  • 圧力・応力が「単位面積あたりの力」であることがわかること

Excelで計算する方法

Excelファイルをダウンロード
式ごとにシートが分かれたExcelファイルです。貼り付け場所を気にせず、開いてすぐ使えます。
下の表を丸ごとコピーして、ExcelのA1セルに貼り付けるとそのまま使えます。
「断面二次モーメントと断面係数」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
断面係数 Z(mm³) =B1*B2^2/6
「最大たわみ(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
スパン L(mm) 900
ヤング率 E(GPa) 9
荷重の合計 W(kg) 30
クリープ係数 k_c 1
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
1mm あたりの荷重 w(N/mm) =B5*9.80665/B3
最大たわみ δ(mm) =5*B8*B3^4/(384*B4*1000*B7)*B6
たわみ比 L/δ の分母 n =B3/B9
「最大たわみ(中央集中荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 300
棚板の厚み h(mm) 25
スパン L(mm) 800
ヤング率 E(GPa) 11
中央の集中荷重 P(kg) 20
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
最大たわみ δ(mm) =B5*9.80665*B3^3/(48*B4*1000*B6)
「逆算:最大スパンと最大荷重(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
ヤング率 E(GPa) 9
1m あたりの荷重 w(kg/m) 25
許容たわみ δa(mm) 3
クリープ係数 k_c 1
スパン L(mm・最大荷重の計算用) 900
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
最大スパン L_max(mm) =(384*B3*1000*B8*B5/(5*B4*9.80665/1000*B6))^(1/4)
最大荷重 w_max(kg/m) =384*B3*1000*B8*B5/(5*B6*B7^4)*1000/9.80665
「曲げ応力(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
スパン L(mm) 900
荷重の合計 W(kg) 30
許容曲げ応力の目安 f_b(N/mm²) 9
断面係数 Z(mm³) =B1*B2^2/6
最大曲げモーメント M(N·mm) =B4*9.80665/B3*B3^2/8
曲げ応力 σ(N/mm²) =B7/B6
許容曲げ応力に対する割合(%) =B8/B5*100
貼り付けると、B列の上の行が入力欄になり、下の行が自動計算の結果になります。
1つ目の表は奥行き250mm・厚み18mmで、B3が121500(mm⁴)、B4が13500(mm³)になります。2つ目の表はパイン集成材(9GPa)・スパン900mm・合計30kgで、B9が約2.55(mm)、B10が約352になります(たわみはスパンの1/352)。両端固定にするときは、B9の式の「5*」を消して「=B8*B3^4/(384*B4*1000*B7)*B6」にします。
3つ目の表はナラ(11GPa)・スパン800mm・中央に20kgで、B7が約0.49(mm)になります。両端固定なら「48」を「192」にします。4つ目の表は許容たわみ3mm・1mあたり25kgで、B9が約1006.8(mm。計算機は安全側に切り捨てて1,006と表示)、B10が約39.16(kg/m。計算機は0.1単位で切り捨てて39.1と表示)になります。5つ目の表は曲げ応力で、B8が約2.45(N/mm²)、B9が約27(%)になります。
「^」がべき乗(B2^3 は厚みの3乗)、「*」が掛け算、「/」が割り算です。ヤング率はGPaで入れ、式の中で1000を掛けてN/mm²に直しています。

Googleスプレッドシートで計算する方法

Excelファイルをダウンロード
上のExcelファイルをダウンロードし、Googleドライブにアップロードして開くと、そのままスプレッドシートとして使えます。
下の表を丸ごとコピーして、GoogleスプレッドシートのA1セルに貼り付けるとそのまま使えます。
「断面二次モーメントと断面係数」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
断面係数 Z(mm³) =B1*B2^2/6
「最大たわみ(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
スパン L(mm) 900
ヤング率 E(GPa) 9
荷重の合計 W(kg) 30
クリープ係数 k_c 1
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
1mm あたりの荷重 w(N/mm) =B5*9.80665/B3
最大たわみ δ(mm) =5*B8*B3^4/(384*B4*1000*B7)*B6
たわみ比 L/δ の分母 n =B3/B9
「最大たわみ(中央集中荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 300
棚板の厚み h(mm) 25
スパン L(mm) 800
ヤング率 E(GPa) 11
中央の集中荷重 P(kg) 20
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
最大たわみ δ(mm) =B5*9.80665*B3^3/(48*B4*1000*B6)
「逆算:最大スパンと最大荷重(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
ヤング率 E(GPa) 9
1m あたりの荷重 w(kg/m) 25
許容たわみ δa(mm) 3
クリープ係数 k_c 1
スパン L(mm・最大荷重の計算用) 900
断面二次モーメント I(mm⁴) =B1*B2^3/12
最大スパン L_max(mm) =(384*B3*1000*B8*B5/(5*B4*9.80665/1000*B6))^(1/4)
最大荷重 w_max(kg/m) =384*B3*1000*B8*B5/(5*B6*B7^4)*1000/9.80665
「曲げ応力(等分布荷重・単純支持)」を求める表
棚板の奥行き b(mm) 250
棚板の厚み h(mm) 18
スパン L(mm) 900
荷重の合計 W(kg) 30
許容曲げ応力の目安 f_b(N/mm²) 9
断面係数 Z(mm³) =B1*B2^2/6
最大曲げモーメント M(N·mm) =B4*9.80665/B3*B3^2/8
曲げ応力 σ(N/mm²) =B7/B6
許容曲げ応力に対する割合(%) =B8/B5*100
Excelと同じ式(べき乗の「^」も同じ)がそのまま使えます。表を丸ごとコピーしてA1セルに貼り付け、B列を自分の数値に書き換えてください。

Pythonで計算する方法

# 棚板を「両端で支えた梁」とみなして最大たわみを求める(単位:mm・kg・GPa)
depth_mm = 250            # 棚板の奥行き b(mm)
thickness_mm = 18         # 棚板の厚み h(mm)
span_mm = 900             # スパン L(支えの間隔・mm)
young_gpa = 9             # ヤング率 E(GPa)。パイン集成材の目安
load_kg = 30              # 荷重の合計 W(kg)。全体に均等に載せる
creep_factor = 1          # クリープ係数(長期荷重なら 1.5〜2 程度)
support = "simple"        # "simple"=棚受けに載せただけ(単純支持)、"fixed"=両端固定
allow_stress = 9          # 許容曲げ応力の目安 f_b(N/mm²)

GRAVITY = 9.80665         # 1 kgf = 9.80665 N
young = young_gpa * 1000  # GPa → N/mm²
inertia = depth_mm * thickness_mm ** 3 / 12          # 断面二次モーメント I(mm⁴)
section_modulus = depth_mm * thickness_mm ** 2 / 6   # 断面係数 Z(mm³)
load_n_per_mm = load_kg * GRAVITY / span_mm          # 1mm あたりの荷重 w(N/mm)

# 等分布荷重の最大たわみ:単純支持 5wL⁴/(384EI)、両端固定 wL⁴/(384EI)
coef = 5 / 384 if support == "simple" else 1 / 384
deflection = coef * load_n_per_mm * span_mm ** 4 / (young * inertia)
deflection_long = deflection * creep_factor
ratio_n = span_mm / deflection_long
print(f"断面二次モーメント I = {inertia:,.1f} mm⁴")
print(f"最大たわみ = {deflection:.2f} mm(長期 {deflection_long:.2f} mm・たわみ比 L/{ratio_n:.0f})")

# 曲げ応力(参考):M = wL²/8(単純支持)または wL²/12(両端固定)、σ = M/Z
moment = load_n_per_mm * span_mm ** 2 / (8 if support == "simple" else 12)
stress = moment / section_modulus
print(f"曲げ応力 = {stress:.2f} N/mm²(許容曲げ応力の目安 {allow_stress} の {stress / allow_stress * 100:.1f}%・参考)")

# 逆算:たわみを allow_mm 以内に収める最大スパン(等分布・1m あたり load_kg_per_m)と最大荷重
allow_mm = 3
load_kg_per_m = 25
w = load_kg_per_m * GRAVITY / 1000                   # kg/m → N/mm
span_max = (384 * young * inertia * allow_mm / (5 * w * creep_factor)) ** 0.25
w_max = 384 * young * inertia * allow_mm / (5 * creep_factor * span_mm ** 4)
# 逆算の結果は安全側に切り捨てる(最大スパンは 1mm 単位、最大荷重は 0.1 単位)
span_max_floor = int(span_max)
w_max_kg_per_m_floor = int(w_max * 1000 / GRAVITY * 10) / 10
print(f"許容たわみ {allow_mm} mm の最大スパン = {span_max_floor} mm(1m あたり {load_kg_per_m} kg・1mm 切り捨て)")
print(f"スパン {span_mm} mm での最大荷重 = {w_max_kg_per_m_floor} kg/m(0.1 切り捨て)")
標準ライブラリだけで動きます。先頭の寸法・ヤング率・荷重を自分の数値に書き換えて実行してください。中央集中荷重にするときは、たわみの行を「load_kg * GRAVITY * span_mm ** 3 / (48 * young * inertia)」(両端固定なら 192)に、曲げモーメントを「load_kg * GRAVITY * span_mm / 4」(両端固定なら 8)に置き換えます。「** 3」が3乗、「** 0.25」が4乗根です。

数式記述言語(LaTeX等)での書き方(コピペ可)

断面二次モーメントと断面係数(棚板の断面の「曲げにくさ」)
I = b × h³ ÷ 12,  Z = b × h² ÷ 6
I = \frac{b h^{3}}{12},\quad Z = \frac{b h^{2}}{6}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>I</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>b</mi><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mn>12</mn></mfrac>
    <mo>,</mo>
    <mi>Z</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>b</mi><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>6</mn></mfrac>
  </mrow>
</math>
I = (b h^3) / 12,  Z = (b h^2) / 6
{b*h^3/12, b*h^2/6}
Iz := b*h^3/12;  Z := b*h^2/6;
I = b*h^3/12;  Z = b*h^2/6;  % b は奥行き(mm)、h は厚み(mm)
I = b h^3/12,  Z = b h^2/6
最大たわみ(全体に均等な荷重=等分布荷重)
δ = 5 × w × L⁴ ÷ (384 × E × I)〔単純支持〕,  δ = w × L⁴ ÷ (384 × E × I)〔両端固定〕
\delta = \frac{5 w L^{4}}{384 E I}\ \text{(simply supported)},\quad \delta = \frac{w L^{4}}{384 E I}\ \text{(fixed ends)}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>δ</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mn>5</mn><mi>w</mi><msup><mi>L</mi><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><mn>384</mn><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac>
    <mo>,</mo>
    <mi>δ</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>w</mi><msup><mi>L</mi><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><mn>384</mn><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac>
  </mrow>
</math>
delta = (5 w L^4) / (384 E I),  delta = (w L^4) / (384 E I)
{5*w*L^4/(384*Ey*Iz), w*L^4/(384*Ey*Iz)}
delta_simple := 5*w*L^4/(384*E*Iz);  delta_fixed := w*L^4/(384*E*Iz);
delta_simple = 5*w*L^4/(384*E*I);  delta_fixed = w*L^4/(384*E*I);  % w は N/mm、L は mm、E は N/mm^2、I は mm^4
δ = 5 w L^4/(384 E I),  δ = w L^4/(384 E I)
最大たわみ(中央に集中した荷重=集中荷重)
δ = P × L³ ÷ (48 × E × I)〔単純支持〕,  δ = P × L³ ÷ (192 × E × I)〔両端固定〕
\delta = \frac{P L^{3}}{48 E I}\ \text{(simply supported)},\quad \delta = \frac{P L^{3}}{192 E I}\ \text{(fixed ends)}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>δ</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>P</mi><msup><mi>L</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>48</mn><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac>
    <mo>,</mo>
    <mi>δ</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>P</mi><msup><mi>L</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>192</mn><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac>
  </mrow>
</math>
delta = (P L^3) / (48 E I),  delta = (P L^3) / (192 E I)
{P*L^3/(48*Ey*Iz), P*L^3/(192*Ey*Iz)}
delta_simple := P*L^3/(48*E*Iz);  delta_fixed := P*L^3/(192*E*Iz);
delta_simple = P*L^3/(48*E*I);  delta_fixed = P*L^3/(192*E*I);  % P は N、L は mm、E は N/mm^2、I は mm^4
δ = P L^3/(48 E I),  δ = P L^3/(192 E I)
長期のたわみ(クリープ)とたわみ比 L/δ
δ_長期 = k_c × δ₀,  n = L ÷ δ_長期
\delta_{\mathrm{long}} = k_c \, \delta_0,\quad n = \frac{L}{\delta_{\mathrm{long}}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <msub><mi>δ</mi><mi>long</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>δ</mi><mn>0</mn></msub>
    <mo>,</mo>
    <mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><msub><mi>δ</mi><mi>long</mi></msub></mfrac>
  </mrow>
</math>
delta_(long) = k_c * delta_0,  n = L / delta_(long)
{kc*delta0, L/(kc*delta0)}
delta_long := kc*delta0;  n := L/delta_long;
delta_long = kc*delta0;  n = L/delta_long;  % kc はクリープ係数、delta0 は載せた直後のたわみ(mm)
δ_long = k_c δ_0,  n = L/δ_long
逆算(許容たわみから最大スパン・最大荷重を求める)
L_max = (384 × E × I × δ_a ÷ (5 × w × k_c))^(1/4),  w_max = 384 × E × I × δ_a ÷ (5 × k_c × L⁴)
L_{\max} = \sqrt[4]{\frac{384 E I \delta_a}{5 w k_c}},\quad w_{\max} = \frac{384 E I \delta_a}{5 k_c L^{4}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <msub><mi>L</mi><mi>max</mi></msub><mo>=</mo>
    <mroot><mfrac><mrow><mn>384</mn><mi>E</mi><mi>I</mi><msub><mi>δ</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><mn>5</mn><mi>w</mi><msub><mi>k</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mn>4</mn></mroot>
    <mo>,</mo>
    <msub><mi>w</mi><mi>max</mi></msub><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mn>384</mn><mi>E</mi><mi>I</mi><msub><mi>δ</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><mn>5</mn><msub><mi>k</mi><mi>c</mi></msub><msup><mi>L</mi><mn>4</mn></msup></mrow></mfrac>
  </mrow>
</math>
L_max = root(4)((384 E I delta_a) / (5 w k_c)),  w_max = (384 E I delta_a) / (5 k_c L^4)
{(384*Ey*Iz*deltaA/(5*w*kc))^(1/4), 384*Ey*Iz*deltaA/(5*kc*L^4)}
Lmax := (384*E*Iz*deltaA/(5*w*kc))^(1/4);  wmax := 384*E*Iz*deltaA/(5*kc*L^4);
Lmax = (384*E*I*deltaA/(5*w*kc))^(1/4);  wmax = 384*E*I*deltaA/(5*kc*L^4);  % deltaA は許容たわみ(mm)、kc はクリープ係数
L_max = (384 E I δ_a/(5 w k_c))^(1/4),  w_max = 384 E I δ_a/(5 k_c L^4)
曲げ応力(参考:材料が壊れないかの目安)
M = w × L² ÷ 8,  σ = M ÷ Z
M = \frac{w L^{2}}{8},\quad \sigma = \frac{M}{Z}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>M</mi><mo>=</mo>
    <mfrac><mrow><mi>w</mi><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>8</mn></mfrac>
    <mo>,</mo>
    <mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>M</mi><mi>Z</mi></mfrac>
  </mrow>
</math>
M = (w L^2) / 8,  sigma = M / Z
{w*L^2/8, (w*L^2/8)/Z}
M := w*L^2/8;  sigma := M/Z;
M = w*L^2/8;  sigma = M/Z;  % w は N/mm、L は mm、Z は mm^3
M = w L^2/8,  σ = M/Z

ChatGPT に聞いて計算してもらう方法

あなたは材料力学(梁のたわみ)の計算アシスタントです。次の計算を、必ずPythonコードを実際に実行して行い、実行結果の数値だけを根拠に回答してください(暗算や推測で答えないでください)。

奥行き 250mm・厚み 18mm のパイン集成材の棚板(ヤング率 9 GPa = 9,000 N/mm²)を、スパン 900mm の棚受けに載せ(単純支持)、本を合計 30kg 均等に並べます。1 kg = 9.80665 N とします。
次の値をそれぞれ求めてください。
1. 断面二次モーメント I = b × h³ ÷ 12(mm⁴)と断面係数 Z = b × h² ÷ 6(mm³)
2. 1mm あたりの荷重 w = 30 × 9.80665 ÷ 900(N/mm)と、最大たわみ δ = 5 × w × L⁴ ÷ (384 × E × I)(mm)、たわみ比 L/δ
3. 両端固定(δ = w × L⁴ ÷ (384 × E × I))にした場合の最大たわみ(mm)
4. クリープ係数 2 を見込んだ長期のたわみ(mm)と、それが L/300 以下かどうか
5. 曲げ応力 σ = (w × L² ÷ 8) ÷ Z(N/mm²)と、許容曲げ応力の目安 9 N/mm² に対する割合(%)
6. たわみを 3mm 以内に収めるための最大スパン L_max = (384 × E × I × 3 ÷ (5 × w))^(1/4)(mm。w は 1m あたり 25kg = 0.2452 N/mm とする)

計算に使った式と、実行結果の数値を示してください。

計算ドリル(演習問題)

このページの式を、自分の手で計算できるようになるための演習問題です。
答えと解説は解答ページにあります。


使い方
  1. 1
    数値を入力
    計算したい数値を入力欄に入力します
  2. 2
    計算
    「計算する」ボタンを押します
  3. 3
    結果を確認
    計算結果がその場に表示されます。計算の考え方や式の解説も同じページで確認できます
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